Renvoyée du couvent catholique où elle a passé ses douze premières années de scolarité, Geneviève Bujold s'engage au conservatoire d'art dramatique de Montréal. Très vite, elle joue quelques rôles d'adolescentes au cinéma comme dans son premier film Amanita Pestilens (1963). En 1965, sa carrière de comédienne l'amène à se produire à Paris où elle est recommandée à Alain Resnais. Le cinéaste lui offre le personnage de la jeune femme qui sort Yves Montand de la douane espagnole dans La Guerre est finie (1966). Ce rôle prestigieux lui amène d'autres propositions en France de réalisateurs comme Louis Malle pour Le Voleur et Philippe de Broca pour Le Roi de coeur. L'actrice retrouvera ce dernier en 1975 sur L' Incorrigible. Entre temps, Geneviève Bujold continue de tourner au Canada où elle fait deux rencontres qui marqueront toute sa carrière, celles des cinéastes Michel Brault et Paul Almond. Elle tourne quatre fois avec le premier et cinq fois avec le second.

A la fin des années soixante, la carrière de Geneviève Bujold s'internationalise. On la retrouve en amante d'Henri VIII dans Anne of the Thousand Days face à Richard Burton. Pour les besoins des Troyennes, la comédienne côtoie Katharine Hepburn, Vanessa Redgrave et Irène Papas. En 1974, elle joue dans le film catastrophe Tremblement de terre avec Charlton Heston et Ava Gardner. Deux années plus tard, Brian De Palma lui offre un double rôle de mère kidnapée et de sa sosie dans le thriller Obsession inspiré du Sueurs froides d'Alfred Hitchcock. En 1977, elle tombe amoureuse de James Caan dans Un autre homme, une autre chance de Claude Lelouch.

Sa carrière cinématographique connaît une période plus calme dans les années 1980 malgré quelques rôles marquants. Elle est une nonne aux pratiques peu catholiques face à un prêtre prêt à tout pour grimper dans la hierarchie de l'église dans Monsignor (1982). Deux ans plus tard, elle joue l'amante de Clint Eastwood dans le Thriller La Corde raide de Richard Tuggle. En 1988, David Cronenberg l'engage pour interpréter la femme qui sépare les jumeaux Mantle dans Faux-Semblants.

Les années 1990 sont plus difficiles pour Geneviève Bujold. Si elle joue dans plus d'une dizaine de films, la comédienne ne trouve pas de rôles importants. Elle reste fidèle au registre dramatique dans lequel elle a travaillé toute sa carrière en alternant drames et Thrillers. Seule exception, en 1996 elle est l'assistante de Martin Landau dans la comédie familiale Pinocchio. En 2001, elle côtoie Julie Gayet et Pascale Bussières dans La Turbulence des fluides de Manon Briand.